Flusso di calore
Il flusso di calore - o flusso di calore - è la potenza che attraversa una superficie in un trasferimento di calore , vale a dire l' energia termica trasferita - o quantità di calore - per unità di tempo. È espresso in watt (W).Φ{\ displaystyle \ Phi}
Q{\ stile di visualizzazione Q}![Q](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8752c7023b4b3286800fe3238271bbca681219ed)
Φ=QΔt{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {Q} {\ Delta t}}}
In un punto su questa superficie, la densità del flusso di calore è il flusso di calore per unità di superficie . È espresso in watt per metro quadrato ( W / m 2 o W m -2 ).φ{\ displaystyle \ varphi}![\ varphi](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33ee699558d09cf9d653f6351f9fda0b2f4aaa3e)
φ=ΦS{\ displaystyle \ varphi = {\ frac {\ Phi} {S}}}
Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione , convezione e irraggiamento . Queste modalità di scambio molto spesso coesistono. L'utilizzo di materiali rispettivamente isolanti o conduttivi consente di ridurre o aumentare il flusso di calore.
Definizioni
Il flusso di calore (espresso in watt ), detto anche "flusso di calore", è il rapporto tra l' energia termica trasferita (in joule ), comunemente indicata come quantità di calore , attraverso una superficie nel tempo infinitesimale del trasferimento ( in secondi). ):
Φ{\ displaystyle \ Phi}
δQ{\ displaystyle \ delta Q}
δt{\ displaystyle \ delta t}![\ delta t](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eb5768e76c1d7222b1b53d613e8622471ef18327)
Φ=δQδt=Q˙{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {\ delta Q} {\ delta t}} = {\ punto {Q}}}![{\ displaystyle \ Phi = {\ frac {\ delta Q} {\ delta t}} = {\ punto {Q}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/032f1274fb817d344b3a585d10272087df0a0fbe)
.
Il flusso di calore attraverso una superficie è espresso come il flusso del campo vettoriale , chiamato vettore di densità del flusso di calore , attraverso questa superficie.
S{\ stile di visualizzazione S}
φ→{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ varphi}}}
Φ=∬SdΦ=∬Sφ→⋅dS→=∬Sφ dS{\ displaystyle \ Phi = \ iint _ {S} \ mathrm {d} \ Phi = \ iint _ {S} {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {d} S}} = \ iint _ {S} \ varphi \ \ mathrm {d} S}![{\ displaystyle \ Phi = \ iint _ {S} \ mathrm {d} \ Phi = \ iint _ {S} {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {d} S}} = \ iint _ {S} \ varphi \ \ mathrm {d} S}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9f635d0dab2b03df6b08994d3790c90450e620c5)
dΦ{\ displaystyle \ mathrm {d} \ Phi}
è il flusso elementare attraverso un elemento di superficie , dove è il vettore unitario normale all'elemento di superficie .
dS→=non→ dS{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ mathrm {d} S}} = {\ overrightarrow {n}} \ \ mathrm {d} S}
non→{\ displaystyle {\ overrightarrow {n}}}
dS{\ displaystyle \ mathrm {d} S}![{\ displaystyle \ mathrm {d} S}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/72ba425d7d7a0f229457dea3c0be4a47ea303cc3)
A un dato punto della superficie, la densità di flusso termico , detto anche flusso termico superficiale , superficie flusso termico densità , calore densità , termicamente flusso densità o densità di corrente termica .
φ{\ displaystyle \ varphi}
φ{\ displaystyle \ varphi}![\ varphi](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33ee699558d09cf9d653f6351f9fda0b2f4aaa3e)
φ=φ→⋅non→{\ displaystyle \ varphi = {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {n}}}![{\ displaystyle \ varphi = {\ overrightarrow {\ varphi}} \ cdot {\ overrightarrow {n}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6c98456346cc9c41adfc8e16a49a0a21362780c0)
Tre modalità di trasferimento termico
Conduzione termica
Il trasferimento di calore per conduzione è descritto dalla legge di Fourier dalla conduttività termica :
λ{\ displaystyle {\ lambda}}![{\ lambda}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/80912e657954ba7a08dc822fac02fd5fd61067c1)
φ→vsonond=-λ⋅grad→ T{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ varphi}} _ {\! \! \ mathrm {cond}} = - \ lambda \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {grad}}} \ T}![{\ displaystyle {\ overrightarrow {\ varphi}} _ {\! \! \ mathrm {cond}} = - \ lambda \ cdot {\ overrightarrow {\ mathrm {grad}}} \ T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/54578d1d857a10437a5c25c68411dbf5fefa5e1b)
.
In regime stazionario e nel caso del flusso di calore superficiale passante attraverso una superficie isotermica di una parete piana di spessore soggetta ad una differenza di temperatura :
e{\ stile di visualizzazione e}
ΔT{\ displaystyle {\ Delta T}}![{\ Delta T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b2aa3bc02ebfff8dbef92721f42b496c5b5ef5db)
φvsonond=λe⋅ΔT=ΔTrthvsonond{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {cond}} = {\ frac {\ lambda} {e}} \ cdot {\ Delta T} = {\ frac {\ Delta T} {r _ {\ mathrm {th \ , cond}}}}}![{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {cond}} = {\ frac {\ lambda} {e}} \ cdot {\ Delta T} = {\ frac {\ Delta T} {r _ {\ mathrm {th \ , cond}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2390720c53ab002deea20ba0a18295f2bcc8e319)
,
dove è la resistenza termica superficiale della parete.
rthvsonond=eλ{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, cond}} = {\ frac {e} {\ lambda}}}![{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, cond}} = {\ frac {e} {\ lambda}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eda055688358dc2c3fd2913fe92005a248a8127c)
Convezione
Nel caso di scambio termico per convezione tra la superficie di un solido a temperatura e un fluido con coefficiente di convezione termica a temperatura , la legge di Newton fornisce l'espressione del flusso di calore superficiale:
Tp{\ displaystyle T_ {p}}
h{\ stile di visualizzazione h}
Tf{\ displaystyle T_ {f}}![{\ displaystyle T_ {f}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dbb8cb970fa8b6a14c3edcbd6951437428003b50)
φvsononv=h×(Tp-Tf)=(Tp-Tf)rthvsononv{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {conv}} = h \ volte (T_ {p} -T_ {f}) = {\ frac {(T_ {p} -T_ {f})} {r _ {\ mathrm {th \, conv}}}}}![{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {conv}} = h \ volte (T_ {p} -T_ {f}) = {\ frac {(T_ {p} -T_ {f})} {r _ {\ mathrm {th \, conv}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/495574e0f7231191c05f36f3fd67542748d6c8e6)
.
Il vettore della densità di flusso è orientato dal caldo al freddo nella direzione normale alla superficie di scambio termico. La resistenza termica superficiale associata è: .
rthvsononv=1h{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, conv}} = {\ frac {1} {h}}}![{\ displaystyle r _ {\ mathrm {th \, conv}} = {\ frac {1} {h}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/01b690dbed0b900108037b29008d841972094658)
Radiazione
Secondo la legge di Stefan-Boltzmann, il flusso di calore superficiale irradiato - chiamato anche uscita di energia nota - alla superficie di un corpo a temperatura può essere espresso:
M{\ stile di visualizzazione M}
T{\ stile di visualizzazione T}![{\ stile di visualizzazione T}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ec7200acd984a1d3a3d7dc455e262fbe54f7f6e0)
φrasì=M=ε⋅σ⋅T4{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {ray}} = M = \ varepsilon \ cdot \ sigma \ cdot T ^ {4}}![{\ displaystyle \ varphi _ {\ mathrm {ray}} = M = \ varepsilon \ cdot \ sigma \ cdot T ^ {4}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1c6d0007701d6245db02f910860cdeb0bb21be8c)
,
dove = 5.670 3 × 10 -8 W m -2 K -4 è la costante di Stefan-Boltzmann ed è l' emissività del materiale.
σ{\ displaystyle \ sigma}
ε{\ displaystyle \ varepsilon}![\ varepsilon](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a30c89172e5b88edbd45d3e2772c7f5e562e5173)
Esempi
Gli scambiatori , i radiatori , la caldaia , le torri di raffreddamento , i dissipatori , i condensatori , ecc. utilizzare fenomeni di trasferimento di calore attraverso le pareti. Un fluido caldo trasferisce energia termica a un fluido freddo senza che si mescolino. I dispositivi cercano di aumentare la superficie di scambio per massimizzare gli scambi energetici.
In costruzione ingegneria termica , pareti, quali sezioni del tetto o qualsiasi altra parete , costituiscono l'involucro e la sua superficie di scambio con l'ambiente esterno. L' isolamento termico è quello di ridurre il flusso di calore attraverso le sue pareti.
Questo tipo di trasferimento può essere applicato a qualsiasi superficie di scambio tra due fluidi di diversa temperatura come la pelle, superficie di scambio termico tra il corpo e il suo ambiente.
Note e riferimenti
-
Jean-Luc Battaglia , Andrzej Kusiak e Jean-Rodolphe Puiggali , Introduzione ai trasferimenti di calore: corso ed esercizi corretti , Dunod,26 marzo 2014( ISBN 978-2-10-070540-5 , leggi online ).
-
Il Sistema Internazionale di Unità (SI) , Sèvres, Ufficio Internazionale dei Pesi e delle Misure ,2019, 9 ° ed. , 216 pag. ( ISBN 978-92-822-2272-0 , leggi online [PDF] ) , p. 28.
-
Conducibilità termica degli isolanti , Ed. Techniques Ingénieur ( leggi online ) , p. 12
-
Céline Deluzarche , “ Calore e temperatura: qual è la differenza? » , Su Futura (consultato il 5 giugno 2020 )
-
Collettivo, cap. 5 “Diffusione termica” , in Marc Venturi, Jean-Claude Hulot, Thermodynamique - MP PT PC PSI , Nathan, coll. "Preparazione scientifica",2008, 221 pag. ( ISBN 978-2-09-812177-5 , leggi in linea ) , p. 154.
-
Ana-Maria Bianchi , Yves Fautrelle e Jacqueline Etay , Trasferimenti termici , Presse politecniche PPUR,2004, 550 pag. ( ISBN 9782880744960 , leggi in linea ) , p. 38.
Vedi anche
Bibliografia
- Flussimetri Thermiques , Ed. Techniques Ingénieur ( leggi online )
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